Co to jest GPS i jakie ma zastosowania? [Kompendium]

Obecnie nawigacja satelitarna stała się na tyle popularna, że korzystamy z niej niemal wszyscy, na co dzień ustalając trasy dojazdu do celu czy trenując z zegarkami sportowymi. Na czym polega działanie technologii GPS, jak przedstawia się konkurencja tego systemu i czy zawsze był on tak samo dokładny?

Czym jest i jak działa GPS?

GPS to amerykański system nawigacji satelitarnej, zaprojektowany w latach 70. ubiegłego wieku na potrzeby wojska. Nazwa Global Positioning System dobrze oddaje jego istotę, ponieważ obejmuje on swoim zasięgiem całą kulę ziemską. Kiedy władze zezwoliły na wykorzystanie sieci do celów cywilnych, błyskawicznie zyskał on na popularności. Ogromną zaletą sieci GPS jest możliwość korzystania z niego przez nieograniczoną ilość użytkowników jednocześnie. Struktura składa się z 31 satelitów orbitujących dookoła Ziemi.

Dla poprawnego działania systemu GPS kluczowa jest czasowa synchronizacja wszystkich satelitów. Każdy z nich wyposażony jest w zegar atomowy i razem z siecią naziemnych nadajników pozwala korygować różnice w czasie, wynikające z ciągłego przemieszczania się monitorowanych obiektów oraz samych satelitów względem siebie. To skomplikowana operacja, która na bieżąco musi uwzględniać m.in. zjawisko dylatacji czasu. Sygnał dociera do użytkownika równolegle na dwóch częstotliwościach, a porównanie różnicy tych dwóch sygnałów umożliwia precyzyjne wyliczenie propagacji fal radiowych (ich rozchodzenia się w przestrzeni), która ulega zachwianiu w trakcie przechodzenia przez jonosferę.

Aby poprawnie określić położenie użytkownika, urządzenie GPS np. zegarek sportowy marki Garmin musi nawiązać kontakt przynajmniej z 4 satelitami na raz. W ten sposób odbiera informacje o długości fali i wylicza odległość od każdego nadajnika, a także czas nadania i odbioru sygnału. Dzięki temu możliwe jest ustalenie dokładnych współrzędnych.

Kiedy system GPS trafił w ręce cywilów, jego dokładność wynosiła około 100 metrów. Takie ograniczenie wynikało ze wdrożenia polityki bezpieczeństwa polegającej na zakłócaniu sygnału (tzw. Selective Availability). Począwszy od 2000 roku, kiedy Stany Zjednoczone zrezygnowały z tego rozwiązania, dokładność systemu wzrosła do około 4 metrów.

Konkurencja dla GPS

Choć o nawigacji satelitarnej zwykliśmy mówić po prostu – „GPS”, obecnie równolegle funkcjonuje kilka sieci GNSS (Global Navigation Satellite Systems), opracowanych i wdrożonych przez inne kraje. Warto wskazać, chociażby na rosyjską sieć GLONASS, europejski GALILEO, chiński BEIDOU czy japoński QZSS. Każdy z nich różni się między sobą zasięgiem, ilością i sprawnością orbitujących satelitów, ale coraz bardziej popularne jest implementowanie trybów, które współpracują z kilkoma sieciami jednocześnie. Pozwala to na uzyskanie znacznie dokładniejszego śladu zapisu trasy oraz odnalezienie sygnału tam, gdzie pojedynczy system nie dałby sobie rady. Oprócz popularnych systemów GNSS niektóre państwa stopniowo wdrażają swoje rozwiązania, które na razie nie trafiły do komercyjnego użytku. Mowa o takich rozwiązaniach jak francuski DORIS czy indyjski IRNSS.

Czym jest A-GPS?

Część urządzeń została wyposażona w tzw. A-GPS (Assisted GPS). To specjalny moduł, który przyspiesza odnajdowanie satelitów poprzez przesyłanie informacji o przewidywanym położeniu satelitów. Z pewnością zauważyłeś, że jeżeli kilkukrotnie startujesz z tego samego punktu (np. zaczynasz trening spod domu), smartwatch łapie lokalizację znacznie szybciej, niż ma to miejsce w zupełnie nowym terenie, nawet w przypadku słabego sygnału. Tak właśnie działa A-GPS. Urządzenie „zapamiętuje” ostatnią lokalizację startową i dopasowuje się do niej.

Jakie czynniki mają wpływ na dokładność GPS?

Choć wszyscy korzystamy z nawigacji satelitarnej, nie oznacza to, że system ten jest idealny. Przede wszystkim, GPS najlepiej sprawdzi się na otwartej przestrzeni, ponieważ otoczenie może zakłócać odbiór sygnału. Jeżeli kiedykolwiek analizowałeś ślad zapisanej trasy treningowej, która przynajmniej częściowo biegła przez teren zalesiony, zabudowany lub tunel, z pewnością zauważyłeś, że wysokie budynki skutecznie zakłócają sygnał, który odbija się od nich. W efekcie na mapie zobaczymy nieplanowane ścięcia zakrętów i uproszczenia, które powstają gdy moduł stara się połączyć ze sobą dwa ostatnie punkty lokalizacji. Dotyczy to zwłaszcza starszej generacji urządzeń, w których stosowane odbiorniki GPS były mniej dokładne niż obecnie. To samo dzieje się z sygnałem, kiedy przemierzamy gęsty las. Ściana, jaką tworzą zbite korony drzew również stanowi barierę utrudniającą nawigowanie w terenie.

Na problem precyzyjnej nawigacji często narzekają także triathloniści, którzy często trenują w zbiornikach otwartych. Okazuje się niestety, że duże masy wody również nie stanowią dobrego gruntu do monitorowania śladu.

Właśnie w takich sytuacjach, aby utrzymać odpowiednio wysoki poziom śledzenia trasy, przydaje się łączenie kilku GNSS, jak np. GPS + GALILEO czy GPS + GLONASS. Dzięki temu urządzenia szybciej łapią sygnał, ponieważ odbierają go z większej ilości satelitów w jednym czasie.

Większość nowych smartwatchy damskich jak i męskich oraz innych urządzeń nawet w problematycznym terenie nie generuje już dużego błędu. Zazwyczaj będzie on wynosił maksymalnie kilka procent docelowego dystansu. Niemniej jednak różnica w pomiarze powstanie niemal na pewno i to nawet pomiędzy poszczególnymi modelami pochodzącymi od tego samego producenta. Jest to związane z modelem zainstalowanego chipsetu GPS oraz ekranowaniem sygnału, jakie powoduje metalowy pierścień otaczający kopertę od góry.

GPS w sportowym zegarku a bateria

Choć GPS jest świetnym rozwiązaniem, które doskonale ułatwia pokonywanie nawet długich dystansów, to także energetycznie kosztowna funkcja. Dlatego producenci prześcigają się w montażu coraz bardziej energooszczędnych modułów GPS, usiłując znaleźć złoty środek pomiędzy czasem działania urządzenia a jakością monitorowania śladu. Jaki czas działania nawigacji można uznać za dobry? To zależy od klasy urządzenia oraz sposobu jego użytkowania.

Najtańsze smartwatche sportowe, które posiadają już własny, autonomiczny układ GPS (a nie łączą się z telefonem) wytrzymują najczęściej kilkanaście godzin w trybie treningowym. Dotyczy to zarówno zwykłych smartwatch'y, jak i modeli typowo sportowych. Zegarki średniej klasy oferują czas pracy na poziomie 20-30 godzin ciągłego śledzenia aktywności. Z kolei topowe urządzenia działają przez 30-40 godzin. Coraz częściej, w najlepszych modelach producenci implementują specjalne funkcje, pozwalające na manualne wyłączanie poszczególnych modułów i czujników, a tym samym wydłużenie czasu działania sprzętu.

Pod względem wydajności baterii warto wskazać na sektor sprzętów adresowanych do podróżników oraz sportowców startujących na dystansach ultra (np. zegarki Garmin seii Fenix 6, Enduro, zegarki Polar serii Vantage V2 czy zegarki Coros serii Apex lub Vertix). W przypadku tych zegarków czas pracy baterii jest znacznie wydłużony.

Jeżeli nie chcemy wydawać dużych pieniędzy na nowoczesne zegarki warto skorzystać z możliwości ręcznego ustawienia czasu zapisu sygnału dla poszczególnych aktywności. Najczęściej będzie to 1 sekunda, 30 sekund lub 1 minuta. Oczywiście wraz z ze zwiększeniem odstępu dokładność śladu będzie spadała, ale to najprostszy (i najtańszy) sposób, aby móc dłużej cieszyć się nawigacją.

Wszyscy liczący się producenci sprzętów GPS (a zwłaszcza pulsometrów) z własnej inicjatywy implementują już tryby oszczędzania energii, dostosowane do wielogodzinnych wypraw. Nazwa może różnić się w zależności od firmy, ale najczęściej będzie to funkcja UltraMode, EnduranceMode, UltraTrac itp.

Gdzie znajdziemy systemy GPS?

Obecnie cywilną nawigację satelitarną wykorzystuje się przede wszystkim do nawigacji w sporcie, transporcie i podróży.

1. Zegarki z GPS

Coraz więcej sportowców podczas swoich treningów korzysta z przenośnej nawigacji w postaci zegarka sportowego. Dotyczy to zarówno biegaczy, miłośników nordic walkingu, jak i zwolenników dyscyplin multisportowych, jak triathlon czy swimrun. W tym przypadku nawigacja jest wykorzystywana do wyliczenia prędkości średniej i maksymalnej, pokonanego dystansu czy sumy przewyższeń i spadków. Z zegarków GPS korzystają zarówno amatorzy, jak i profesjonaliści. Zegarki GPS są bardzo dobrze chronione przed wilgocią oraz uszkodzeniami mechanicznymi dzięki zastosowaniu wytrzymałych powłok ochronnych.

2. Liczniki rowerowe GPS

Satelitarna nawigacja rowerowa kilka lat temu trafiła do urządzeń kolarskich. Podobnie jak w przypadku zegarków biegowych, także tutaj GPS do roweru zlicza dystans, tempo i przewyższenia. Dużą przewagą zaawansowanych liczników rowerowych nad zegarkami biegowymi jest – w zasadzie już powszechna – nawigacja topograficzna na mapie wgranej do pamięci urządzenia. W przypadku zegarków multisportowych na takie rozwiązanie jak na razie zdecydowała się jedynie firma Garmin.

3. GPS dla kierowców

Z nawigacji dla kierowców korzystają zarówno właściciele samochodów osobowych, jak i motocykliści. W tym przypadku nawigacja oferuje odszukanie optymalnej drogi prowadzącej do celu (często z uwzględnieniem autostrad, dróg płatnych i czasu przejazdu). Dobry GPS dla kierowców zlokalizuje parking, umożliwi odnalezienie POI, czy znalezienie najbliższej stacji benzynowej. Nawigacja dla motocyklistów wyróżnia się dodatkowo wysokim stopniem wodoszczelności, czytelnym wyświetlaczem oraz możliwością współpracy z systemem słuchawkowym zintegrowanym w kasku.

4. GPS dla wędkarzy

Nawigacja pomaga również łodziom wędkarskim. Dzięki niej, wędkarze – zarówno ci śródlądowi, jak i morscy – łatwiej odnajdą drogę do domu, zlokalizują w razie potrzeby port, a także odnajdą bogatą ławicę ryb. Wiele modeli echosond Garmin pozwala na rysowanie konturów zbiorników wodny i tworzenie w ten sposób własnych map wodnych, którymi możemy dzielić się ze społecznością.

5. GPS na piesze wycieczki

Przenośną nawigację zobaczymy również u górskich turystów, grzybiarzy i miłośnikom survivalu. W tym przypadku nawigacja turystyczna na pierwszy rzut oka najbardziej przypomina telefon komórkowy starego typu, ale działa równie skutecznie, jak inne urządzenia tego segmentu. Dzięki przenośnemu urządzeniu GPS już nigdy nie zgubisz się w nieznanym terenie. To także jedyny rodzaj sprzętu, który dopuszcza możliwość korzystania z komunikacji satelitarnej w przypadku braku standardowej łączności.

6. GPS dla psa

Okazuje się, że z nawigacji korzystają nawet myśliwi i treserzy psów. Urządzenia takie jak Garmin Astro i Garmin Alpha pozwalają na śledzenie swoich pupili podczas polowania i treningu. Nowej generacji lokalizatory GPS dla psa rejestrują położenie nawet 20 psów w promieniu 15 kilometrów, a nawet wykrywają to, czy nasz pies w danej chwili biegnie, czy odpoczywa. GPS dla psa to nieoceniona pomoc, kiedy prowadzimy swoje czworonogi przez gęste zarośla lub las.

7. Nawigacja ciężarowa GPS

Ogólne założenia nawigacji dla kierowców ciężarówek lub kamperów są takie same jak w przypadku standardowej pomocy nawigacyjnej dla kierowców. W przypadku dużych pojazdów urządzenia idą jednak o krok dalej i są w stanie dobrać drogi dopasowane do przejazdu auta ciężarowego z uwzględnieniem promienia skrętu, mostów występujących na trasie czy parkingów. Przykładem takich urządzeń są np. Tomtom 6250 lub seria Garmin Dezl Z ich pomocą zidentyfikujemy restaurację, motel lub obierzemy kurs na MOP obsługujący samochody ciężarowe.

Czy warto wyposażyć się w urządzenie GPS?

Bez względu na to, czy amatorsko uprawiasz sport, często jedziesz na motocyklu lub pracujesz jako przedstawiciel handlowy, nawigacja satelitarna ogromnie ułatwi Ci życie. Dzięki niej nie zejdziesz ze szlaku, odnajdziesz najkrótszą trasę lub znajdziesz warsztat samochodowy.

Musisz pamiętać, że GPS ma swoje ograniczenia. Niekiedy możesz stracić sygnał lub urządzenie może pomylić się przy kalkulacji dystansu. Nadal jednak jest to inwestycja warta Twoich pieniędzy. Producenci cały czas pracują nad tym, abyśmy mogli liczyć na jak najdokładniejszy zapis śladu bez względu na to, czy wypływamy łowić ryby z echosondą, czy idziemy z psem na spacer. Nawigacja cywilna w ciągu ostatniej dekady zrobiła ogromny krok do przodu. Pozostaje mieć nadzieję, że dotychczasowe tempo postępu technologicznego zostanie zachowane.